Enviado por Gaspar Reis
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A lmpada fluorescente
O 'plasma' na lmpada fluorescente No interior de uma lmpada fluorescente ocorrem fenmenos fsicos muito interessantes. Aprendemos na escola que a matria pode se apresentar em trs estados fsicos, a saber, slido, liquido e gasoso. Entretanto, existe um quarto estado da matria que ocorre quando ela se transforma numa mistura de ons e eltrons livres, justamente como no interior de uma lmpada fluorescente acesa. Analisemos melhor este fenmeno partindo da ilustrao abaixo. No interior de um tubo temos dois eletrodos e um gs sob baixa presso. Se nos eletrodos for aplicada uma tenso suficientemente alta, acompanhada de uma componente de alta freqncia, os tomos do gs so excitados a ponto de perderem parte de seus eltrons. Temos ento a formao de ons (tomos dotados de carga global positiva/negativa resultante da perda/captao de eltrons) e eltrons livres. A tendncia dos eltrons dirigirem-se em sentido ao eletrodo que esteja carregado positivamente, ou seja, o anodo, enquanto que os ons dotados de cargas positivas dirigem-se em sentido ao eletrodo carregado negativamente (denominado catodo).
Quando um on atrado para o catodo, o impacto que ocorre provoca a liberao de eltrons. Esses eltrons contribuem para a excitao de novos tomos, formando assim novos pares eltrons/ons. Quando um eltron incide no anodo ele tambm, pelo impacto, provoca a liberao de novos eltrons (secund- rios) que aceleram o processo de ionizao. No entanto, como o anodo est carregado positivamente, a maior parte dos eltrons liberados atrada e recolhida. Usando eletrodos aquecidos (filamentos) pode-se facilitar a emisso dos eltrons e conseqentemente o processo de ionizao, como ocorre nas lmpadas fluorescentes comuns. Observe que a corrente que circula no interior do gs formada por portadores de cargas negativos (eltrons livres) e positivos (tons do gs). Nestas condies a mistura no interior do tubo, formada por eltrons livres e ons corresponde ao que denominamos "plasma".
Evidentemente, com a possibilidade de haver movimentao de cargas, o gs no interior do tubo se torna condutor. A mobilidade de eltrons faz com que ocorram colises entre eltrons e outros tomos do gs que tendem a liberar novos eltrons, formando assim novos pares eltrons/ons, mantendo o processo. Os eltrons e ons que, por outro lado, chegam aos eletrodos correspondentes, com o impacto conseguem liberar novas cargas. O processo cumulativo, ou seja, uma vez que um pequeno pulso libere alguns eltrons formando pares eltrons/ons, a liberao de novos pares ocorre de uma forma rpida "enchendo" todo o tubo de uma substncia com caractersticas especiais. Essa substncia, formada principalmente por eltrons livres e
ons, o que denominamos por "plasma". No caso da lmpada fluorescente, como detalharemos, o processo todo de formao de plasma e conduo da corrente acompanhado da emisso de radiao eletromagntica (luz, ultravioleta, raios X etc.). Assim, para que a lmpada "funcione" preciso que o gs no seu interior, assim como a prpria tenso de alimentao, tenha algumas caractersticas especiais. Podemos ento explicar melhor o que ocorre, partindo de um circuito tpico de uma lmpada fluorescente comum, apresentado na ilustrao abaixo.
Quando o circuito da lmpada fluorescente alimentado, o starter abre e fecha, criando pulsos amortecidos de alta tenso e de alta freqncia que do inicio ao processo de ionizao do gs. Com o aparecimento de pares ons/eltrons que so atrados pelos respectivos eletrodos, temos impactos que liberam novos eltrons. Ocorre ento um efeito de "avalanche" que acaba por ionizar todo o gs que, ento, se torna condutor. Nessas condies (gs conduzindo), ocorre uma brusca queda de tenso e o starter "colocado fora de ao" e deixa de funcionar, passando toda a corrente, agora, pela lmpada. A ionizao tem como efeito principal uma emisso de radiao que se concentra principalmente na faixa ultravioleta do espectro. Essa radiao incide no revestimento de fsforo da parede interna do tubo e esse, por sua vez, a converte em luz visvel.
O reator um indutor de elevado valor que funciona em conjunto com o starter. O starter tpico formado por um capacitor em paralelo com uma pequena lmpada a non que leva em seu interior um interruptor de lmina bimetlica. Quando estabelecemos a alimentao neste circuito o capacitor, em conjunto com o indutor, formam um circuito ressonante que excitado pela abertura e fechamento do contato bimetlico do starter. Este circuito gera uma altssima tenso que serve para ionizar os tomos no interior da lmpada fluorescente dando assim inicio ao processo de acendimento. Ao mesmo tempo, a corrente que circula pelo reator e pelo reator e pelo starter tambm passa pelos filamentos da lmpada. A finalidade dos filamentos facilitar a liberao de eltrons secundrios quando os ons e eltrons do gs se chocarem contra eles, aumentando assim a quantidade de pares eltrons/ons e com isso a conduo da lmpada. Quando a quantidade de eltrons/ons no gs se torna suficientemente grande para que uma corrente intensa se estabelea pelo tubo, o starter colocado fora de ao pois, a tenso passa a ser insuficiente para ionizar o gs de seu interior (repare o 'circuito paralelo' lmpada/starter). Nestas condies, ele "abre" e toda a corrente que circula pela lmpada suficiente para mant-la em conduo, com uma elevada ionizao. Os prprios filamentos (que funcionam como anodo e catodo) no precisam mais ser aquecidos pela corrente para liberarem pares adicionais eltrons/ons sendo "desligados" no processo de desativao do starter.
Todo starter para lmpadas fluorescentes tem no interior uma lmina bimetlica e uma pequena quantidade de gs non. Quando se aplica os iniciais 110V a conduo gasosa pelo non inicia (a tenso mnima de ionizao do non cerca de 80V); essa corrente passando pelo bimetal o aquece (efeito Joule), ele enverga e encosta no outro terminal, fechando o circuito para o filamento da lmpada fluorescente. O filamento vai ao rubro, emitindo eltrons (efeito Edson). Quando o bimetal esfria ele abre os contatos dentro do starter e nessa fase ocorre a auto-induo no reator
elevando a tenso para cerca de 450V e, com isso, iniciando a ignio da lmpada. Com a corrente principal estabelecida, a tenso entre terminais da lmpada fluorescente e starter (circuito paralelo) cai abaixo dos 80V. A lmpada permanece acesa mas, o non do starter no conduz, o filamento permanece desligado.
Veja que a abertura e o fechamento do starter no momento do acendimento no s importante para gerar a tenso elevada que d inicio ao processo de ionizao. Para que este processo ocorra preciso haver tambm uma certa componente de alta freqncia; dai o fato dos sistemas de iluminao fluorescente gerarem um bom rudo neste momento. A emisso da radiao ocorre em funo do tipo de gs que existe no interior do tubo, de sua presso e, tambm, de outros fatores secundrios (como a temperatura, a presena de campos magnticos etc.). Para as lmpadas comuns, temos uma mistura de alguns gases nobres como o nenio, argnio, hlio etc.) sob presso levemente inferior atmosfrica. Com o tempo, por deficincias naturais de vedao, o ar pode entrar e, com isso, a alterao da presso far com que, cada vez mais, torne-se difcil ocorrer a ionizao com a tenso disponvel. Isso explica porque as lmpadas velhas piscam, piscam e no acendem. Quando a ionizao ocorre os tomos so excitados de modo que seus eltrons passam para nveis de energia mais altos. A volta desses eltrons aos nveis originais acompanhada da emisso de radiao eletromagntica. Esta radiao se espalha pelo espectro, ocupando diversas faixas estreitas, conforme se v na ilustrao. No geral, estas faixas combinadas resultam em uma boa quantidade de radiao que se concentra principalmente na parte ultravioleta do espectro. Assim, se usarmos tubos de quartzo para estas lmpadas (que so transparentes ao ultravioleta) poderemos aproveitar essa radiao em diversas outras aplicaes (apagamento de memrias de chips para computadores, germicidas, cinescpios de plasma etc.). No entanto, se quisermos luz para iluminar um ambiente, precisamos converter esta radiao para a gama visvel do espectro eletromagntico. Isso se consegue atravs do revestimento da parede interna do tubo com um p que, ao ser excitado pela radiao ultravioleta passa a emitir luz branca. A cor da lmpada fluorescente, portanto, no vem l de dentro e sim, determinada pela composio qumica desse p. Uma crena comum entre as pessoas que esse gs do interior dessas lmpadas venenoso e que por isso o ferimento provocado pelo seu vidro demora a cicatrizar. O perigoso, em caso de um corte, justamente o p que reveste o vidro do tubo. Anlise tcnica e trabalho experimental a) circuito com reator convencional Num primeiro instante, tudo 'frio', o interruptor ligado. O starter, como sabemos, uma pequena lmpada non cujo potencial de ionizao cerca de 80 V, contendo no seu interior um interruptor feito de lmina bimetlica na condio de normalmente aberto. A tenso aplicada entre os terminais desse interruptor, nesse instante exatamente igual tenso da rede eltrica, suficiente para ionizar o gs que
envolve esse interruptor (a lmpada non 'acende') e, assim, a intensidade de corrente que passa a circular pelo circuito srie todo (reator + filamentos + gs non) bem baixa (de 5 a 10 mA) devido presena de um condutor gasoso (gs non ionizado) na srie. Apesar de pouco intensa essa corrente suficiente para aquecer a lmina bimetlica, a qual verga e fecha o circuito, eliminando o condutor gasoso da srie. Agora a corrente, apenas limitada pela alta reatncia indutiva do reator, inicia o aquecimento dos filamentos. Esse aquecimento ao rubro propicia a emisso de eltrons do filamento (efeito Edson) para o gs no interior da lmpada fluorescente toda. Mas, como os contatos dentro da pequena non esto fechados (lmpada non apagada) e no h mais corrente atravs do gs, a lmina bimetlica esfria, verga em sentido oposto e abre o circuito srie interrompendo bruscamente a corrente eltrica. O colapso do campo magntico no reator gera, por induo, um elevado pulso de tenso que adicionado tenso da rede (pois o interruptor geral est fechado) aplicada lmpada fluorescente. Esse processo se repete ( normalmente duas ou trs vezes, com lmpadas e starters novos), at que o pico de tenso seja suficiente para ionizar o gs da lmpada longa. Nesse instante, a tenso sobre os terminais da lmpada non cai rapidamente para uns 40 V, que insuficiente para a ignio do starter. O processo se estabiliza, a lmpada longa permanece acesa, at que desliguemos o interruptor geral. O reator est ali para limitar a corrente que circula atravs da lmpada (lembre-se, a resistncia do gs ionizado, com o acrscimo constante de eltrons vindos dos filamentos, tende a zero) e, alm disso, mantm a corrente e a tenso defasadas. Para bem entender esse papel do reator, basta troc-lo por uma lmpada de 100 W, e ver que muito difcil fazer a lmpada fluorescente acender em 127 VAC. Em 220 VAC, dada a tenso mais alta, o acendimento ocorrer (e por isso, que as lmpadas ditas mistas, que contm uma lmpada incandescente e uma de vapor de mercrio na mesma ampola, s funcionam em 220 V). Esse um experimento recomendvel para as Salas de Aula; montar uma lmpada fluorescente com seu circuito todo bem visvel (utilize uma prancheta vertical e grossos fios de cobre para a fiao) e uma chave comutadora que permita trocar, rapidamente, o reator por uma lmpada incandescente.
Se introduzirmos um circuito de controle de ngulo de conduo com tiristores ou TRIACs (dimmers comuns), alm do problema exposto acima, poder ocorrer de selecionarmos um ngulo de conduo no qual a tenso seja insuficiente para disparar a ignio do gs ou manter sua conduo. b) circuito com reator eletrnico
Reatores eletrnicos, dos quais existem diversos tipos, funcionam de modo algo diferente: 1 - Eles tm internamente um circuito retificador e um oscilador transistorizado na casa dos kHz, alimentando um pequeno transformador inversor, cuja sada ligada lmpada; 2- Esse oscilador no senoidal, tendendo uma onda retangular, portanto, o sinal de sada do transformador, conter picos breves de tenso muito alta acima da tenso de ionizao da lmpada, e uma tenso mdia apenas um pouco acima da tenso de manuteno. As pequenas diferenas entre a tenso de sada e a tenso de manuteno da lmpada, so ' absorvidas' pela resistncia interna do enrolamento secundrio. Portanto, a lmpada estar sendo continuamente "reionizada" a cada ciclo do oscilador. Um reator eletrnico para duas lmpadas fluorescentes de 40W, que utiliza dois MOSFET M1 e M2, ilustrado abaixo, para uma simples anlise das etapas constituintes:
Lmpadas fluorescentes e os quanta
Introduo O mundo dos tomos est cheio de coisas inesperadas. Quando tentamos penetrar na estrutura interna do tomo, observamos coisas estranhas que parecem contraditrias porque so muito diferentes de nossas experincias com a matria comum em larga escala. Elas tambm no fazem sentido com nossas idias habituais sobre partculas e seu comportamento. Estamos conscientes de que alguma coisa nova e incomum deve ser descoberta se desejarmos explicar os fatos da natureza observados ao nosso redor. Para quem j iniciou seus estudos da Teoria Atmica, chamamos a ateno para as srias contradies que afligem o estudo da estrutura do tomo, conforme seu professor j deve ter destacado. Por um lado, deve ter dito ele, o tomo revelou-se como um pequeno sistema planetrio com eltrons circulando em torno do ncleo; por outro lado, salientou, encontramos uma estabilidade e uma srie de propriedades caractersticas completamente estranhas a um sistema planetrio. Nessa breve divulgao, vamos comear por dar uma descrio mais detalhada de outras observaes no usuais a respeito dos tomos e das partculas atmicas, e esperamos, com isso, abrir caminho at
os novos fenmenos que governam o interior dos tomos. No apresentaremos relato histrico. Infelizmente, no estgio atual de desenvolvimento da cincia, raro que uma descoberta seja feita no momento em que poderia ser mais til para nossa compreenso dos fatos; em geral ela s realizada depois que o desenvolvimento tecnolgico j criou os meios de se efetuar as medidas necessrias. Neste texto, destacaremos apenas um conjunto de observaes sobre as novas descobertas, dos trs que revelam caractersticas estranhas e incomuns do mundo atmico. Esse primeiro conjunto engloba as descobertas dos estados qunticos do tomo (o segundo diz respeito natureza quntica da luz, e o terceiro, s propriedades ondulatrias das partculas materiais). Estados qunticos do tomo Em 1913, James Franck e Gustav Hertz realizaram uma srie de experincias nas quais tentaram modificar as rbitas planetrias dos eltrons no tomo. Eles raciocinaram da seguinte maneira: o tomo parece resistir a qualquer modificao das rbitas eletrnicas; tentemos modificar " fora" essas rbitas para vermos de que maneira e at que ponto o tomo pode resistir. Uma hiptese aceitvel, no modelo do sistema planetrio, leva a crer que as rbitas dos planetas sejam modificadas se uma estrela passasse perto de nosso sistema solar. Franck e Hertz planejaram uma experincia que corresponderia, no mundo atmico, a um cataclismo solar daquele tipo. Em termos simples, a experincia foi a seguinte: temos um recipiente cheio com um gs de tomos - por exemplo, tomos de sdio ou hidrognio. Fazemos passar atravs do gs um feixe estreito de eltrons. Como os eltrons exercem intensa ao eltrica uns sobre os outros, esperamos que um feixe de eltrons que passe perto de um tomo exera uma influncia sobre os eltrons orbitais do tomo e modifique suas rbitas, da mesma maneira que a estrela modificaria a rbita da terra.
Esta ilustrao d uma idia geral de uma experincia para medir as variaes de energia sofridas por eltrons quando colidem com tomos de um gs. Os eltrons saem de um emissor de eltrons, so acelerados por uma diferena de potencial e penetram na cmara central, com energia conhecida. Nessa cmara, atravessam uma amostra de gs (vapor de mercrio). A energia que lhes resta depois das colises medida na cmara da direita.
No podemos olhar diretamente as rbitas eletrnicas para verificar se foram modificadas, mas podemos descobrir indiretamente o que aconteceu. Fazemos com que todos os eltrons do feixe tenham exatamente a mesma velocidade quando penetram no gs. Qualquer modificao que os eltrons produzam nos tomos estar associada com uma modificao na sua prpria velocidade. Essa previso conseqncia da lei da conservao da energia. necessrio energia para alterar a rbita de um eltron num tomo; portanto, se a rbita for modificada por um eltron que passa por perto, esse eltron dever perder alguma energia. Velocidade energia; portanto, a velocidade do eltron ser reduzida e essa reduo pode ser observada quando o feixe sai do outro lado do recipiente que contm o gs. O
mesmo aconteceria se uma estrela passasse pelo nosso sistema solar. Sua passagem daria um empurro na Terra, aumentando a energia da Terra e diminuindo a energia da estrela. O que deveramos esperar, baseado no modelo planetrio'? Haveria todos os tipos de modificaes de rbitas, pequenos e grandes, dependendo de quo prximo do tomo houvesse passado o eltron. Deveramos esperar todos os valores de perdas de energia (ou, s vezes, ganho) a partir de zero; a perda mdia deveria ser menor quando o feixe atravessasse um gs mais rarefeito, pois, nesse caso haveria menor nmero de passagens prximas a tomos. Entretanto, os fatos observados foram completamente diferentes. Quando a energia dos eltrons era menor do que um certo mnimo, no se observava variao alguma na velocidade. Essa energia mnima era bastante alta --- mais que cem vezes maior do que a energia trmica de eltrons em temperaturas habituais. Quando a energia era maior do que esse mnimo, os eltrons perdiam certas quantidades especificas de energia ou nenhuma energia. Essas quantidades especficas e tambm a energia mnima so caractersticas do tipo de tomo do gs; no dependem da densidade do gs nem de nenhuma outra circunstncia externa. O que pode significar esse estranho resultado? Ele nos diz que no podemos modificar as rbitas dos eltrons no tomo de maneira arbitrria. Ou elas no mudam, ou sofrem alteraes especificas e bastante grandes de energia. Nesse ponto, entra o conceito de "quantum" de energia. A energia pode ser fornecida a um tomo apenas em "quanta'' caractersticos - nem mais, nem menos. 'Tudo se passa' como se o tomo aceitasse energia apenas em bocados predeterminados. No aceita uma pequena poro, mas apenas o bocado completo. Cada tomo s pode aceitar bocados de energia caractersticos. Se oferecermos menos, o tomo absolutamente no reage . Reage (muda o seu estado) apenas se lhe oferecemos a quantidade necessria. Essa situao , certamente, estranha a nossa imagem de um sistema planetrio. Uma estrela que passe pode fornecer qualquer quantidade de energia Terra. Quanto maior for a distncia de passagem, menor ser a quantidade de energia transferida. Mas o resultado dessa experincia no to surpreendente em vista do que j sabemos acerca do tomo. Ele mostra que o estado do tomo tem uma estabilidade intrnseca. Impactos fracos no podem modific-lo; para consegui-lo preciso uma grande quantidade de energia. Deve haver alguma coisa que conserva o tomo em seu estado normal caracterstico, e essa alguma coisa s pode ser vencida por grandes energias. Esse fato no poderia estar relacionado com o fenmeno que d origem especificidade dos tomos e que fora sempre os eltrons para a configurao caracterstica de cada tipo especial de tomo? Nesse ponto, precisamos ser mais quantitativos. Qual a energia mnima necessria para modificar o estado de um tomo'? Faamos, agora, uma pequena pausa na discusso, para saber como so expressas as energias nos problemas atmicos. Medimos a energia de partculas atmicas com uma unidade chamada "eltronvolt", smbolo "eV". Definio do eltron-volt: a quantidade de energia que um eltron (devido sua carga eltrica) recebe/cede ao passar de um ponto a outro, cuja diferena de potencial eltrico de 1 volt (U = 1V). Essa unidade substitui o "joule" (J) nas interaes atmicas. Vamos dar um pincelada nisso, em forma de perguntas (P) e respostas (R). P: De onde vem a energia eltrica? R: A energia eltrica decorre da separao de cargas eltricas num sistema. Visualize um sistema formado por dois lpis de cor, um vermelho eletrizado positivamente e um azul eletrizado negativamente.
Devido natural atrao das cargas positivas e negativas, esse sistema de dois lpis eletrizados ter energia eltrica mnima quando estiverem juntos (estado natural --- energia potencial eltrica nula). Para separar esses lpis, deve-se aplicar foras que contrariem essa atrao eltrica. O trabalho realizado por essas foras externas ao sistema ser a medida da quantidade de energia potencial eltrica que eles lpis apresentaro quando separados. Ento, lpis eletrizados juntos = sistema isento de energia potencial eltrica; lpis eletrizados separados = sistema dotado de energia potencial eltrica. Esses dois lpis separados tm agora algo que no apresentavam quando eletrizados e juntos. Cada lpis apresentar uma energia potencial eltrica em relao ao outro. Se referenciarmos um deles como 'energia zero' ou outro armazenar, graas sua carga eltrica, um certo 'tanto' de energia potencial eltrica. Esse 'tanto' de energia eltrica, por unidade de carga, caracterizar a tenso eltrica ou diferena de potencial entre eles. P: Como medir essa tenso eltrica? R: Vamos exemplificar usando, de incio, de uma bateria de automvel. Uma bateria armazena energia potencial qumica, ou seja, os componentes da soluo esto 'fora de seu estado natural'. Dizer que entre os terminais dessa bateria existe uma tenso eltrica de 12V o mesmo que dizer que, cada 'coulomb' (1C) de carga eltrica, para passar de um terminal a outro, deve receber/ceder 12 joules de energia eltrica. Se ele passar 'por dentro' da bateria, ele recebe esses 12 J (e a energia qumica da bateria diminui de 12J) e se ele passar via circuito externo, cede 12J (para os elementos que participam do circuito externo). Na tomada de sua casa a tenso eltrica entre os dois 'furos' (terminais) de 110V (nominal). Esses terminais, no fundo, traduzem os terminais do gerador eletromecnico que abastece sua casa com energia eltrica. Se voc liga um aquecedor eltrico nessa tomado, cargas comearo a 'circular' pelo circuito todo, de modo que, cada coulomb de carga que passa pelo gerador, recebe 110J de energia eltrica e cada coulomb de carga que passa pelo aquecedor cede 110J de energia (o aquecedor transformar esses 110J de energia eltrica em trmica). Se, em lugar de 1 coulomb de carga tomarmos, por unidade, o valor absoluto da carga do eltron, a energia trocada com a bateria passaria a ser de 12eV e a trocada com a tomada de 110eV. Nesse ltimo caso, os eltrons sairiam do terminal positivo do gerador, passariam por dentro dele, e sairiam do terminal negativo com a energia de 110eV; em continuao, sairiam desse terminal negativo da tomada, passariam pelo aquecedor, entregando a ele os 110eV e retornando ao terminal positivo. A tenso eltrica ou d.d.p. indica, portanto, quanto de energia eltrica a unidade de carga recebe ou cede ao passar de um ponto a outro. O eltron-volt (1eV) a unidade de energia potencial eltrica quando se toma como unidade de carga o valor absoluto da carga do eltron (|e|) e da unidade de tenso, 1 volt (1V), como sendo a diferena de potencial entre os dois pontos considerados. [ 1eV = 1|e|.1V ]. Como exerccio, relacione as unidades joule e eV. Os eltrons no saltam de um terminal da tomada para o outro devido ao meio (ar) ser um mau condutor de corrente eltrica mas, se aproximarmos suficientemente um terminal do outro, os eltrons vencero essa dificuldade, saltando. Observamos esse fenmeno sob a forma de uma fasca. O eltron-volt uma unidade de energia conveniente para nossos problemas. Por exemplo, no ar, temperatura ambiente, as molculas voam em todas as direes com energia cintica mdia de 1/30 de eltron-volt. Essa a energia mdia por tomo de qualquer tipo para o movimento trmico temperatura ambiente; , por exemplo, a energia das oscilaes trmicas irregulares que os tomos efetuam num pedao de metal, aquelas que causam a fuso a temperaturas mais elevadas, quando as foras que mantm os tomos no lugar so sobrepujadas.
Voltemos agora s experincias de Franck e Hertz, nas quais energia transmitida a tomos por meio de um feixe de eltrons. Verificou-se que a energia limiar de um tomo de sdio --- isto , a energia mnima que ele capaz de receber e adicionar ao seu contedo de energia --- de 2,1 eltron-volts; no tomo de hidrognio, essa energia mnima chega a 10 eltron-volts. So energias muito mais altas do que as energias do movimento trmico temperatura ambiente. Imediatamente ligamos esse fato quele outro de que os tomos de um gs temperatura ambiente conservam sua identidade e no so modificados apesar das muitas colises sofridas. A energia dessas colises est bem abaixo da energia limiar, isto , abaixo do menor quantum de energia que o tomo pode aceitar. Portanto, as experincias de FranckHertz mostraram, sua maneira, a surpreendente estabilidade dos tomos, dando a ela um aspecto quantitativo. O tomo permanece inalterado e estvel enquanto os impactos recebidos so menos energticos do que uma energia limiar bem definida, e essa energia tem um valor caracterstico para cada elemento. Sem dvida, Franck e Hertz "mediram" a estabilidade atmica. Os resultados das experincias de Franck.Hertz. vo ainda alm. Elas nos informam no apenas da quantidade mnima de energia que os tomos aceitam, mas nos do a srie completa de valores especficos da energia que o tomo capaz de aceitar. Apenas esses valores podem ser fornecidos ao tomo; ele rejeita qualquer coisa que fique entre esses valores. Por exemplo, o tomo de hidrognio aceita apenas as seguintes quantidades: 10 eV, 12 eV, 12,5 eV e 12,9 eV, e valores mais elevados e mais prximos uns dos outros. O tomo de sdio, por exemplo, aceita somente 2,1eV, 3,18 eV, 3,6 eV, 3,75 eV, etc. A ilustrao ao lado uma representao grfica dessas energias, para o hidrognio. Cada energia corresponde a um certo estado de movimento do eltron no tomo. Portanto, cada linha representa um estado particular que o tomo pode assumir. Ao que parece, todos os outros estados situados entre esses so proibidos. Os estados permitidos so chamados estados qunticos. O estado de mais baixa energia o estado fundamental; nesse estado que o tomo est geralmente; os outros so chamados estados excitados. A energia limiar a diferena entre a energia do primeiro estado excitado e o estado fundamental. Esses estados foram destacados para o plasma da lmpada fluorescente no texto inicial. Estes fatos esto em contraste agudo com o que esperamos a partir do comportamento do modelo planetrio. Por que a energia dos eltrons dentro do tomo seria quantizada? O que nos impede de acrescentar uma quantidade arbitrariamente pequena de energia a um tomo? Se compararmos a energia de um tomo a uma conta bancria, tudo se passa como se o banco s permitisse a retirada e o depsito de determinadas quantias, de maneira a manter a conta em certos valores predeterminados. Consideremos agora mais detalhadamente os diferentes estados qunticos. Em geral designamos a srie de valores permitidos para a energia como o "espectro" do tomo. O espectros da ilustrao acima (para o hidrognio), assim como outros (no ilustrados), revelam uma propriedade geral muito importante dos estados qunticos: quanto mais alto o valor da energia acima do estado fundamental, menor o
intervalo entre os estados qunticos (repare isso, na ilustrao). Essa uma propriedade observada em todos os sistemas atmicos; para grandes energias de excitao, os estados qunticos tornam-se to prximos uns dos outros que praticamente se confundem. Para energias elevadas, os efeitos qunticos desaparecem. O tomo pode ser, ento, afetado por qualquer quantidade de energia, como um sistema planetrio comum o seria. Tudo se passa como se as estranhas regras a respeito da conta bancria fossem abandonadas para contas muito altas, pois os depsitos e retiradas permitidos tornam-se cada vez menores para grandes contas. Verificou-se que esse fato de importncia muito mais fundamental do que parece. Atualmente sabemos que, se introduzimos grandes energias nos tomos, eles se comportam como sistemas planetrios. Essas condies podem ser realizadas em temperaturas extremamente altas, que podem ser produzidas por meio de fortes descargas eltricas em gases. Nessas condies, o gs forma o chamado "plasma",(e voltamos lmpada fluorescente) e os tomos perdem suas propriedades caractersticas. Um plasma de nenio gasoso, no qual cada tomo tem 10 eltrons, tem as mesmas propriedades que um plasma de sdio gasoso, no qual cada tomo tem 11 eltrons. No h mais rbitas eletrnicas selecionadas; no h mais radiao caracterstica. Reina o caos no plasma; um caos de temperaturas extremamente elevadas, raramente encontrado na Terra, exceto quando produzido em nossos laboratrios. Entretanto, no espao csmico, esse estado encontrado nos gases expelidos pelo Sol e por outras estrelas quentes. No plasma, desaparecem todas as caractersticas de ordem pelas quais distinguimos um tomo de outro. ordem e a diferenciao ocorrem apenas quando os tomos esto em seus estados de baixa energia, os quais esto afastados uns dos outros na escala de energia. Nesses estados (baixa energia), encontramos a estabilidade que conduz a formas e rbitas especificas e, conseqentemente, a propriedades qumicas e fsicas especificas. Para energias elevadas, todas essas caractersticas desaparecem. Tenhamos presentes, entretanto, que foram as propriedades caractersticas de 'baixas' energias que definiram nossas concepes. O comportamento catico dos tomos em energias elevadas exatamente o que esperaramos de um modelo planetrio, isto , de sistemas planetrios colidindo uns com os outros em altas velocidades. NOTA: O nome "plasma" no tem nada a ver com o plasma sanguneo, ou com a matria viva da clula. A expresso deriva do fato de que as primeiras realizaes de um plasma atmico em um tubo de descarga assemelhavam-se ao plasma biolgico.